Übungsaufgaben – Bau von Atomen, Ionen und Molekülen
Aufgaben: Bau von Atomen, Ionen und Molekülen
Sie benötigen das Periodensystem der Elemente!
- Erläutern Sie mithilfe des PSE den Aufbau eines Chlor-Atoms.
- Die Massenzahlen der meisten Elemente des PSE sind Durchschnittswerte, welche in Abhängigkeit der prozentualen Häufigkeit der jeweils vorkommenden Isotope eines Elements berechnet werden können. Die Summe aus den Produkten der relativen Atommassen der Isotope eines Elements ergibt die relative Atommasse eines Elements.
- Erläutern Sie die Bildung eines Chlorid-Ions aus einem Chlor-Atom.
- Erläutern Sie die Bildung eines Chlor-Moleküls aus zwei Chlor-Atomen
- Skizzieren und beschriften Sie die Bohr`schen Schalenmodelle der folgenden kleinsten Teilchen des Elementes Chlor: Atom, Ion, Molekül
- In Abhängigkeit von der Stellung der Elemente im Periodensystem, unterscheiden sich ihre periodischen Eigenschaften – Atomradius, Ionenradius und Ionisierungsenergie – voneinander. Begründen Sie die folgenden Aussagen:
a) Der Radius des Natrium-Atoms ist größer als der des Chlor-Atoms.
b) Der Radius des Fluorid-Ions ist kleiner als der des Bromid-Ions.
c) Der Radius Chlor-Ions ist größer als der des Chlor-Atoms.
d) Die Ionisierungsenergie für das erste abzugebende Elektron im Calcium-Atom ist niedriger als die des ersten abzugebenden Elektrons im Magnesium-Atom.
Lösungen
Aufbau des Cl-Atoms:
Atomhülle: Das Element Chlor steht in der 3. Periode und besitzt daher 3 Elektronenschalen in der Atomhülle. Auf diesen sind 17 Elektronen verteilt, ablesbar an der Ordnungszahl des Elementes. Chlor ist ein Element der VII. Hauptgruppe, daher liegen 7 Valenzelektronen in der äußersten Schale.
Atomkern: Die Ordnungszahl 17 gibt an, dass sich im Atomkern 17 Protonen (\(p^+\)) befinden. Ein Chloratom ist 35,45 u schwer, ablesbar an seiner Massezahl. Abgerundet befinden sich also 35 Nukleonen im Atomkern, von denen 18 Neutronen (n) sind, neben den 17 Protonen.
Berechnung der relativen des Elements Chlor:
Alle natürlich auftretenden Chlorverbindungen enthalten zu 24,2% das Isotop Chlor-37 und zu 75,8% das Chlor-35. Berechnen Sie die relative Atommasse des Elements Chlor.
Relative Atommasse Cl = 35 x (75,5/100) + 37 x (24,2/100) = 35,484 u
Bildung des Chlorid-Ions aus dem Chlor-Atom:
Ein Chloratom (neutrale Ladung, 17 \(p^+\) und 17 \(e^-\)) besitzt 7 Valenzelektronen (VII. HG) auf der äußersten Schale der Atomhülle. Es erfordert weniger Energie 1 Elektron aufzunehmen als 7 Elektronen abzugeben, um Edelgaskonfiguration (8 Elektronen) als besonders stabilen, energiearmen Zustand zu erreichen. Das Chloratom nimmt also 1 Elektron als zusätzlichen negative Ladung auf, wodurch ein elektrisch 1-fach negativ geladenes Teilchen entsteht – das Chloridion \(Cl^-\).
Merke: Der Atomkern eines Elements ist unveränderbar, sein Aufbau bleibt also immer gleich.
Bildung des Chlor-Moleküls:
Ein Chloratom (neutrale Ladung, 17 \(p^+\) und 17 \(e^-\)) besitzt 7 Valenzelektronen (VII. HG) auf der äußersten Schale der Atomhülle. Folglich besteht also 1 Elektronenlücke, die mit 1 Elektron aufgefüllt werden kann und so zur Bildung der Edelgaskonfiguration (besonders stabiler, energiearmer Zustand) von 8 Elektronen auf der Außenschale führt. Zur Bildung eines Chlor-Moleküls sind nur zwei Chlor-Atome notwendig, da jedes nur 1 Elektronenlücke auffüllen muss. Dabei überschneiden sich die Außenschalen der beiden Nichtmetall-Atome, wonach jedes Chlor-Atom seinem Reaktionspartner 1 Elektron zur Verfügung stellt um Edelgaskonfiguration zu erreichen. Durch die Ausbildung von 1 Elektronenpaarbindung entsteht aus 2 Chlor-Atomen ein Chlor-Molekül \(Cl_2\).
Aufbau der kleinsten Teilchen am Beispiel des Elementes Chlor:
Übung zu periodischen Eigenschaften:
a) Das Natrium-Atom und das Chlor-Atom besitzen beide drei Elektronenschalen, jedoch unterschiedliche Kernladungszahlen. Das Natrium-Atom besitzt 11 Protonen im Atomkern und das Chlor-Atom 17 Protonen. Aufgrund der höheren Kernladung im Chlor-Atom sind die Anziehungskräfte vom Kern auf die Elektronen stärker als im Natrium-Atom.
b) Die Elemente Fluor und Brom gehören beide derselben Hauptgruppe an, der Hauptgruppe VII, und besitzen beide als Ionen 8 Valenzelektronen. Die Ionen der Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der Elektronenschalen. Das Fluorid-Ion besitzt 2 Elektronschalen, das Bromid-Ion 4. Aufgrund der geringeren Anzahl der Elektronenschalen im Fluorid-Ion ist der Ionenradius hier kleiner.
c) Chlor besitzt 17 Protonen im Atomkern. Als Element der VII. Hauptgruppe besitzt das Chlor-Atom 7 Valenzelektronen. Durch die Aufnahme 1 Elektrons entsteht ein einfach negativ geladenes Chlor-Ion. Die erhöhte Anzahl der Elektronen im Chlor-Ion führt zu größeren Abstoßungskräften zwischen den Elektronen, wodurch diese mehr Raum im Ion einnehmen als im Atom.
Gleichzeitig verteilen sich die Anziehungskräfte des Kerns auf eine höhere Elektronenanzahl, wodurch diese weniger vom Kern angezogen werden. Beides führt zu einer Zunahme des Ionenradius.
d) Das Calcium-Atom besitzt 4 Elektronenschalen, das Magnesium-Atom 3. Das heißt beim Calcium-Atom liegt das erste abzugebende Elektron weiter vom Atomkern entfernt, wodurch die Anziehungskraft des Atomkerns auf das Elektron geringer ist als im Magnesium-Atom. Daher muss weniger Energie aufgewendet werden, um das erste abzugebende Elektron aus der Atomhülle des Calcium-Atoms zu entfernen.